JP5713417B2 - ゲルアクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットをはじめとするさまざまな機械システムに利用することができるゲルアクチュエータ及びその製造方法に関する。

医療・福祉分野で使用されるロボットをはじめとするさまざまな機械システムは、人間に対する親和性、安全性が求められることから、これらの条件を満足する次世代型のアクチュエータの開発が求められている。そのなかでも高分子材料を用いたアクチュエータは、人間の生体筋のようにソフトで、小型軽量であり、エネルギー効率が高いという利点を持つため、数多くの研究がなされている。しかしながら、高分子アクチュエータは溶液中でのみ駆動するタイプや屈曲変形するタイプ（特許文献１）が多く、生体筋のように大気中で伸縮する高分子アクチュエータは限られている。

高分子材料の一つであるポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を可塑剤によりゲル化したＰＶＣゲルは、陽極近傍でクリープ変形を生じ、大気中での高い伸縮率と応答性を有することが知られている（非特許文献１）。本発明者らは、このＰＶＣゲルの電場駆動特性に着目し、陽極にメッシュ形状を有する電極を用いてＰＶＣゲルを電極で挟み、積層することにより大気中で収縮駆動するソフトアクチュエータを開発し（非特許文献２）、その特性を明らかにするとともに（非特許文献３）、そのモデル化と制御に関する研究を行ってきた。さらに、この原理を利用した負作動型ブレーキの開発を行った（非特許文献４）。

これらの一連の研究により、６００Ｖの電圧印加で変位率１０％、発生力４００Ｐａ／Ｌａｙｅｒ、応答性７Ｈｚという特性を有し、大気中において低消費電力で伸縮駆動するアクチュエータの実現可能性を示した。本アクチュエータは電場印加により剛性が増加するという、生体筋によく似た特性を有するとともに、フィードバック制御により正確な変位制御が可能で、このアクチュエータを一つの制御要素として扱えることも明らかになった。

特開２００９−２７３２０４号公報

藤井勝哉、荻原孝文、平井利博、木下健：PVCゲルのクリープ変形に及ぼす可塑剤の影響、Polymer Preprints,Japan,Vol.55,No.2 pp.4557-4558, 2006 山野美咲、小川直希、橋本稔、高崎緑、平井利博、「収縮型PVCゲルアクチュエータの構造と駆動特性」日本ロボット学会誌、Vol.27 No.7pp718〜24,2009 NaokiOgawa,Minoru Hashimoto,Midori Takasaki and Toshihiro Hirai,"CharacteristicsEvaluation of PVC Gel Actuators",The 2009 IEEE/RS International Conference onIntelligent Robots and Systems (IROS2009), St.Louis, USA, pp.2898-2903,2009 橋本稔、柴垣南、平井利博、「収縮型PVCゲルアクチュエータを用いた負作動型ブレーキの開発」日本ロボット学会誌、29巻8号、pp.667-674 2011

ところで、生体筋の特性は、変位率３０％、発生力３００ｋＰａ、応答特性１０Ｈｚと言われており、高分子ゲルアクチュエータを医療・福祉分野等で使用するためには、発生力の増大と安全性向上のための印加電圧の低減が求められる。
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、低電圧で生体筋に匹敵する発生力等の特性を有し、小型化を図ることによって、アクチュエータ素子としてさらに広い用途に利用することを可能にするゲルアクチュエータ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るゲルアクチュエータは、誘電性高分子材料を含むゲル層と、そのゲル層を厚さ方向に挟む陽極と陰極とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータであって、前記陽極は、前記ゲル層に対向する面が凹凸面に形成されていて、前記凹凸面の凸部が前記ゲル層に接触して、前記凹凸面の凹部が空隙になっていることを特徴とする。凹凸面に形成する陽極の形状としては、円柱状、ホール状（平板体に離散的に有底の穴もしくは貫通孔を設けたもの）、直方体状、メッシュ状、波形形状等の様々な形状とすることができる。

ゲルアクチュエータは、前記単位構造が、電気的短絡を回避する配置で、複数層に積層されていることが好ましい。前記陽極の両面に前記ゲル層が設けられ、それぞれのゲル層に前記陰極が積層されて形成されていることが好ましい。また、前記陰極の両面に前記ゲル層が設けられ、それぞれのゲル層に前記陽極が積層されて形成されていることが好ましい。

前記陽極の凹凸面における凸部と凹部は、その平面形状、高さ、深さ、幅、配置間隔等を適宜設定することができる。前記陽極を、その一方の面側における凸部と凹部とが他方の面側における凹部と凸部となる波形形状とし、前記凸部と凹部とを同形に形成することが好ましい。これにより、陽極の両面にゲル層を配置してゲルアクチュエータを積層構造とすることができる。なお、凸部と凹部とが同形とは、陽極の一方の面側と他方の面側とにおける凸部と凹部との高さ、深さが同一で、凸部と凹部との配置間隔が同一という意味である。

また、陽極の他の構造として、前記陽極が、非導電性材からなるベース材の一方の面が凹凸形状に形成されていて、その凹凸形状の表面に導電層が被覆されて形成されているものでもよい。この場合は、陽極、ゲル層、陰極をこの順に積層してゲルアクチュエータとする。

ゲルアクチュエータは、陽極と陰極との間に印加する電圧をＯＮ−ＯＦＦすることにより、厚さ方向に収縮する作用をなす。すなわち、陽極と陰極との間に電圧を印加すると、陰極からゲルに注入された電荷が陽極側に蓄積され、陽極に吸着されるようにゲルがクリープ変形し、凹凸面に形成された陽極の凹部の空隙にゲルが入り込むことによって厚さ方向に収縮し、電圧を解除すると、ゲルの弾性により元の状態に復帰する作用をなす。

ゲルアクチュエータの収縮作用はゲルのクリープ変形に起因する。このクリープ変形は、陽極表面に接触するゲルの接触面から深さ方向数１０μｍでの相互作用力により発生するものと考えられている。ゲル表面近傍で電荷密度が増大し、この負電荷と陽極の静電的引力によりゲルが陽極表面に這い出すことによりクリープ変形が発生する。ゲル表面近傍の電荷密度は、印加電場の増大とともに増加することから、電場を大きくすると変位量が増大する。
したがって、陽極と陰極とに挟まれたゲルの厚さを薄くすると、印加する電圧が同一であっても電場（陽極側のゲル表面の電荷密度分布）は増大し、大きなクリープ変形を得ることができる。

言い換えれば、同じ変形量を得るとした場合、ゲルの厚さを薄くすることによって印加電圧を小さくすることができる。仮に、ゲルの厚さを１０分の１にすることができれば、印加電圧を１桁小さくしても同じ変形量が得られることになる。しかしながら、厚さ数百μｍのメッシュ状の陽極を使用して単にゲルの厚さを薄くすると、メッシュ状の陽極の空隙部分にゲルが完全に入り込んでしまって、陽極と陰極とが短絡してしまうおそれがある。したがって、ゲルの厚さを薄くする場合は、メッシュの空隙量を小さくする必要がある。すなわち、ゲルと陽極の厚さを減少させることによって、印加電圧を低減させることが可能である。

また、ゲルアクチュエータの発生力は、ゲル及び、ゲルを厚さ方向に挟む配置とする陽極と陰極とからなるアクチュエータの単位構造の積層数に比例して増大する。同じ厚さのゲルアクチュエータを考えた場合、単位構造の厚さを薄くし、その積層数を増やすことによって発生力を大きく増大させることが可能である。たとえば、単位構造の厚さを３ｍｍから３０μｍに薄くすることができれば、ゲルアクチュエータの積層数は１００倍になり、ゲルアクチュエータの発生力を１００倍にすることが可能である。

本発明に係るゲルアクチュエータは、陽極のゲルに接触する（対向する）面を凹凸面とする構成とすることにより、導体を微細形成する手段を利用して凹凸面の凹凸形状を微細化することができ、陽極の凹凸構造を数μｍ〜数十μｍ程度の微細な構造とすることが容易に可能になる。また、陽極に形成する凹凸構造の形態（凸部と凹部の高さ、深さ、平面配置パターン等）についても適宜設定することができ、種々の用途に対応してゲルアクチュエータを構成することができるとともに、ゲルアクチュエータを多層積層構造としてかつコンパクト化を図ることが可能になる。

本発明に係るゲルアクチュエータの製造方法は、誘電性高分子材料を含むゲル層と、そのゲル層を厚さ方向に挟む陽極と陰極とからなる単位構造を備え、前記陽極に形成された凹凸面の凸部が前記ゲル層に接触し前記凹凸面の凹部が空隙になっているゲルアクチュエータの製造方法であって、前記陽極の前記ゲル層に対向する面を、前記凹凸面に形成する工程と、前記凸部を前記ゲル層に接触させて前記凹部を前記空隙にする工程とを、有することを特徴とする。

ゲルアクチュエータの製造方法は、さらに、前記陰極の両面に前記ゲル層を設けたゲルシートを形成する工程と、該ゲルシートに前記陽極を積層する工程とを、有していてもよい。

本発明に係るゲルアクチュエータは、多層積層構造としてかつコンパクト化を図ることが可能であり、実用可能な所要の発生力を有するアクチュエータとして提供することができる。

本発明を適用するゲルアクチュエータの基本構造とその作用を示す断面図である。 本発明を適用するゲルアクチュエータに用いられる陽極の外観図である。 本発明を適用する積層型のゲルアクチュエータの断面図である。 積層型のゲルアクチュエータの作用を示す断面図である。 積層型のゲルアクチュエータの他の例を示す断面図である。 積層型のゲルアクチュエータの作用を示す断面図である。 本発明を適用するゲルアクチュエータに用いられる陽極の製造方法を示す図である。 本発明を適用するゲルアクチュエータに用いられるゲルシートの製造方法を示す図である。 本発明を適用するゲルアクチュエータの他の製造方法を示す図である。 ゲルアクチュエータに電極を形成した状態を示す断面図である。

発明を実施するための好ましい形態

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態に限定されるものではない。

（ゲルアクチュエータの基本構造）
図１（ａ）は、本発明に係るゲルアクチュエータの基本構造を示す。このゲルアクチュエータ１０は、金属等の導電材を用いて両面を凹凸面に形成した陽極１２と、陽極１２を厚さ方向に挟む配置として陽極１２の両面に積層して配置した誘電性高分子材料を含むゲル層１４と、ゲル層１４の外面（陽極１２に接する面とは反対側の面）を被覆する陰極１６とを備える。

ゲル層１４は平坦な膜状に形成され、陽極１２の凸部１２ａを跨ぐように積層され、凸部１２ａの中間の凹部１２ｂの部位が空隙となる。

ゲルアクチュエータのアクチュエータ作用をなす単位構造は、１つのゲル層１４と、そのゲル層１４を厚さ方向に挟む陽極１２と陰極１６とで構成される。つまり単位構造は、[陽極１２、ゲル層１４、陰極１６]となる。複数の単位構造を同じ向きで積層すると、[陽極１２、ゲル層１４、陰極１６] [陽極１２、ゲル層１４、陰極１６]・・・の順に並び、隣接する単位構造同士で、陽極１２と陰極１６とが電気的に短絡してしまう。図１（ａ）に示すゲルアクチュエータの基本構造は、２つの単位構造を、陽極１２を共通に用いて、互いに逆向きに積層したものである。このように配置することで、基本構造では、２つの単位構造同士の電気的短絡が回避されている。このゲルアクチュエータの基本構造では、２つの単位構造が陽極１２を共通に用いているので、２つの単位構造を単に逆向きに積層する場合よりも、アクチュエータの厚さが薄くなっている。

本実施形態においては、陽極１２を凸部１２ａと凹部１２ｂとが並列して交互に連なる波形形状とした。陽極は、微細な円柱を凸部として多数配置するなど他の形状により構成することも可能である。図２に、本実施形態の陽極１２の外観図を示す。陽極１２の一方の面側における凸部１２ａ及び凹部１２ｂは、他方の面側においては凹部１２ｂと凸部１２ａとなり、凸部１２ａと凹部１２ｂは同一の形状（高さ、深さ、幅が同一）となっている。

ゲルアクチュエータ１０のアクチュエータ作用は、陽極１２の表面に設けた凹凸のうち凹部１２ｂの空隙にゲル層１４のゲルが入り込む作用によって生じる。したがって、アクチュエータ作用を考える上では、陽極１２の表面に形成する凹部１２ｂの幅、深さ、配置間隔等を適宜設定する必要がある。

ゲル層１４に主成分として含まれる誘電性高分子材料は、電場を作用させることにより屈曲変形やクリープ変形を生じさせる材料である。例として、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリメタクリル酸メチル、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ナイロン６、ポリビニルアルコール、ポリカーボネイト、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリロニトリル、シリコーンゴム等が挙げられる。ゲル層１４は、誘電性高分子材料、及び誘電性高分子材料をゲル化するための可塑剤を含んでいる。ゲル層１４は、必要性に応じ、他の添加剤を含んでいてもよい。誘電性高分子材料が電場による充分な変形特性を有する場合、ゲル層１４は、誘電性高分子材料のみで形成されていてもよい。

陰極１６は、陽極１２との間でゲル層１４に電圧を印加するためのものである。ゲル層１４の全面にわたって電場を作用させるため、陰極１６はゲル層１４の全面を被覆するように設ける。陰極１６はゲル層１４に対してある程度均等な電場が作用すればよいから、完全なべた膜に形成せず、メッシュ状に形成することも可能である。

図１（ｂ）は、陽極１２と陰極１６との間に電圧を印加した状態を示す。陽極１２と陰極１６との間に電圧を印加すると、電荷が陰極１６からゲル層１４に注入され、陽極１２の近傍に電荷が蓄積され、ゲルがクリープ変形して陽極１２の凹部１２ｂにゲルが入り込む。凹部１２ｂの空隙内にゲルが入り込むことによってゲル層１４が厚さ方向に収縮する。すなわち、図１（ａ）におけるゲルアクチュエータ１０の全体厚Ｈに対し、図１（ｂ）のゲルアクチュエータ１０の全体厚Ｈ’が、Ｈ’＜Ｈとなる。陽極１２の両面を凹凸面としたことで、陽極１２の両面がゲル層１４に作用し、ゲルアクチュエータとして効率的な収縮作用をなす構造となっている。凹部１２ｂの空隙は、入り込むゲルにより空気が外部に押し出され、そのゲルにより満たされてもよい。

ゲル層１４は陽極１２と陰極１６との間に印加する電圧をオフにすると、ゲル自体の弾性により、電圧を印加する前の平坦状の状態（図１（ａ）の状態）に復帰する。したがって、陽極１２と陰極１６との間に印加する電圧をＯＮ−ＯＦＦする操作を繰り返して行うことにより、ゲルアクチュエータ１０を繰り返して収縮操作することができる。

（ゲルアクチュエータの多層構造）
図３は、ゲルアクチュエータの多層構造を示す。ゲルアクチュエータは単位構造のみであっても、アクチュエータ作用（厚さ方向に収縮−復帰する作用）をなす。図１に示すように単位構造を２層に積層した基本構造とすることで、アクチュエータ作用を倍にできる。図３に示すように、アクチュエータ作用をなす単位構造を多数層に積層することにより、より大きな収縮量と発生力を得ることができる。

ゲルアクチュエータを多層構造とする場合は、ゲル層１４と陰極１６とにより陽極１２を厚さ方向に挟む配置とする。図１においては、陽極１２の両面にゲル層１４と陰極１６を配置したが、図３に示す実施形態では、陰極１６の両面に設けたゲル層１４にそれぞれ陽極１６を積層する構成とし、陰極１６を挟む両側にゲル層１４と陽極１２とが、陰極１６を基準として対称に配置される構成としている。積層された陽極１２と陰極１６は、各々電源１８の正極と負極に接続する。

なお、図３に示す実施形態では、単位構造同士の電気的短絡を回避するために、複数の単位構造を、順に逆向きに積層して配置している。隣接する単位構造は、陰極１６や陽極１２を共通に用いている。

図４は、積層構造としたゲルアクチュエータの陽極１２と陰極１６とに電圧を印加した状態を示す。電圧を印加することにより、ゲル層１４のゲルがクリープ変形し、陽極１２の凹部１２ｂの空隙内にゲルが入り込み、厚さ方向に収縮する。陽極１２の両面を凹凸面としたことで、陽極１２の両面がゲル層１４に作用し、積層型のゲルアクチュエータとして効率的な収縮作用をなす構造となっている。

陽極１２とゲル層１４、陰極１６を交互に積層して形成したゲルアクチュエータ全体としての収縮量は、各々のゲル層１４の収縮量を加え合わせたものになるから、積層数を増大させることにより収縮量（厚さ方向の変形量）が比例して増大する。また、積層構造のゲルアクチュエータのよる発生力も各々のゲル層１４に基づく発生力を加え合わせたものになる。したがって、より大きな収縮量あるいはアクチュエータ力を得るには、ゲルアクチュエータの積層数を増大させればよい。

（ゲルアクチュエータの他の構成例）
図５は積層型のゲルアクチュエータの他の構成例を示す。本実施形態のゲルアクチュエータも、陽極１３と陰極１６とによってゲル層１４を厚さ方向に挟む配置とし、ゲル層１４に接する陽極１３の表面を凹凸面としたことは上述した実施形態と同様である。ただし、上述した実施形態においては、陽極１３の両面を凹凸面としたのに対して、本実施形態では、非導電性のベース材１３ｂの一方の面が凹凸形状であり、この凹凸形状の表面を導電層１３ａにより被覆して、陽極１３の片面を凹凸面としている。なお、陽極は、微細な円柱を凸部として多数配置するなど他の形状により構成することも可能である。

陽極１３と陰極１６とでゲル層１４を挟む構成部分がアクチュエータ作用をなす単位構造である。積層型のゲルアクチュエータは、陽極１３の上にゲル層１４と陰極１６とをこの順に積層して構成される。陽極１３と陰極１６は、電源１８の正極と負極にそれぞれ接続されて電圧が印加される。本構成例では、複数の単位構造を同じ向きで積層しているが、非導電性のベース材１３ｂを、隣接する単位構造の間に設けているので、単位構造同士の電気的短絡が回避されている。

図６は、図５に示したゲルアクチュエータの陽極１３と陰極１６との間に電圧を印加した状態を示す。電圧を印加したことにより、ゲル層１４のゲルが陽極１３の凸部に引き付けられ、ゲルが部分的に陽極１３の凹部１３ｃの空隙内に入り込み、ゲル層１４が厚さ方向に収縮して、ゲルアクチュエータの収縮作用が生じる。

前述した実施形態のゲルアクチュエータについて説明したと同様に、電圧の印加をＯＮ−ＯＦＦする操作に伴ってゲル層１４が収縮−復帰する作用は可逆作用であり、繰り返して作用させることができることから、好適なアクチュエータとして利用することができる。

図１及び図３に示したゲルアクチュエータにおいては、陽極１２の両面を凹凸面とし、陽極１２の両面でゲルの収縮作用を利用する形態としている。本実施形態においては、陽極１３の一方の面のみをゲルの収縮作用に利用するが、陽極の片面のみを凹凸面とする場合は、ゲルのクリープ変形のしやすさ、凹部へのゲルの入り込みのしやすさ等を考慮して、凹凸面における凸部、凹部の設置間隔、深さ等を適宜設計できるという利点がある。また、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）のような非導電性材からなるベース材１３ｂが導電層１３ａの支持材（支持フィルム）として作用することで、凹凸パターンを微細に形成することが容易になるという利点もある。

（ゲルアクチュエータの製造方法）
積層型のゲルアクチュエータを形成する際に、陽極やゲル層の厚さを薄くすることは積層数を増大させ、かつゲルアクチュエータ全体としてコンパクト化を図る上できわめて重要である。
本発明に係るゲルアクチュエータのように、ゲル層に対向する陽極の表面を凹凸面としてゲル層の収縮作用を利用する場合は、単に陽極やゲル層の厚さを薄くすると、ゲルがクリープ変形して陽極の凹部に入り込んだ際に陽極と陰極とが電気的に短絡するおそれがある。この問題を回避するには、陽極の薄型化を図ると同時に陽極に形成する凹凸パターンを、ゲルがクリープ変形しても陽極と陰極とが短絡しないように層の厚さに応じて設ける必要がある。

本発明に係るゲルアクチュエータは、陽極とゲル層の厚さをμｍオーダーとすることを想定している。陽極あるいはゲル層の厚さをμｍオーダーとする場合、陽極に形成する凹凸パターンはμｍオーダーあるいはこれ以下の精度による微細形成が求められる。
電子部品の製造分野等においては、微細パターンを形成する方法として種々の方法がなされている。本発明に係るゲルアクチュエータを製造する場合も、従来の微細パターンの形成方法を利用することができる。以下に、ゲルアクチュエータの製造方法例を示す。

＜陽極を形成する工程＞
図７に、両面を凹凸面とする陽極の製造例を示す。
まず、陽極の凹凸パターンに合わせて凹凸を形成した基板３０を形成する（図７（ａ））。基板３０の表面に、フォトリソグラフィー法により基板３０の表面で凸部として残す部位を被覆するレジストパターンを形成し、このレジストパターンを保護膜として基板３０の表面をエッチングして基板３０の表面に凹凸パターン３０ａを形成する。基板３０に使用する素材に応じて化学的エッチング、あるいはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の物理的エッチングを選択すればよい。フォトリソグラフィー法によれば、数μｍ〜数十μの精度で凹凸パターン３０ａを形成することは容易である。基板３０には、シリコン基板、ガラス板、金属板等の微細パターンの形成に適した素材を用いる。

次いで、基板３０の凹凸パターンを樹脂（高分子材料）に転写する操作を行う。基板３０の凹凸面に転写用の樹脂を供給し、基板３０と樹脂とを相互に加圧しながら樹脂を硬化させて基板３０の凹凸パターンを樹脂に転写する。樹脂は熱硬化させる方法、紫外線硬化樹脂を使用し紫外線を照射して硬化させる方法等により硬化させることができる。
図７（ｂ）は、基板３０から凹凸パターンを転写して得られた転写基板４０である。

次に、転写基板４０の凹凸パターン４０ａを形成した面に、導体層５０を形成する（図７（ｃ））。導体層５０は転写基板４０に設けた凹凸パターン４０ａが反映されるように、凹凸パターン４０ａの凸部、凹部、凹部の内側面を被覆するように設ける。導体層５０は、めっき法、スパッタリング法等を利用して、所定の厚さに形成することができる。本実施形態においては、陽極の両面を同形の波形に形成するから、この波形が得られるように転写基板４０の凹凸形状と、導体層５０の厚さを制御する。導体層５０に用いる導体材料としては、ニッケル、銅、各種合金材料が用いられる。なお、導体層５０は単層に形成する場合に限らず、ニッケル層を基材とし、表面層を金とするといったように複数層に設けることもできる。

転写基板４０の表面に導体層５０を形成した後、転写基板４０を化学的に溶解除去することによって陽極１２が得られる（図７（ｄ））。転写基板４０を溶解除去する際には、転写基板４０のみを選択的に溶解できる溶剤を使用する。したがって、転写基板４０を選択的に溶解除去することができるように、導体層５０と転写基板４０の材質を選択する必要がある。得られた陽極１２はゲル層１４等と積層して積層型のゲルアクチュエータを形成する部材として用いられる。

＜ゲルシートを形成する工程＞
図８は、ゲルアクチュエータの製造に使用するゲルシート７０の製造方法を示す。
図８（ａ）は、剥離用シート６０上にゲル層１４ａを設けた状態を示す。ゲル層１４ａは、ポリ塩化ビニル等の誘電性高分子材料を溶媒に溶解して形成したゲル溶液をコーティングし、溶媒を蒸発させることによって形成することができる。ゲル層１４ａの厚さは、コーティング方法により１０μｍ〜１００μｍ程度の厚さに制御することが可能である。

誘電性高分子材料としてポリ塩化ビニルを使用する例では、可塑剤としてアジピン酸ジブチル（ＤＢＡ）を加え、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）を溶媒としてゲル溶液を作成し、このゲル溶液をコーティングすることでゲル層を形成する。可塑剤としては、ＤＢＡの他に、例えば、アジピン酸ジメチル（ＤＥＡ）、フタル酸ビス（ＢＳＰ）、フタル酸ジブチル（ＤＢＰ）等が挙げられる。ゲル層は、クリープ変形により収縮作用をなすアクチュエータの主要な構成部分であると同時に、陽極と陰極との間に介在して陽極と陰極との電気的な絶縁作用をなすものであるから、ピンホール等が形成されないように剥離用シート６０の表面に均一に形成する必要がある。

図８（ｂ）は、ゲル層１４ａの表面に陰極１６となる導体層１６ａを形成した状態を示す。導体層１６ａは、銅あるいは金等の金属をスパッタリング、めっき等の成膜方法を利用して形成することができる。
図８（ｃ）は、導体層１６ａの表面にさらにゲル層１４ｂを形成した状態を示す。ゲル層１４ｂもゲル溶液をコーティングする方法によって形成することができる。
こうして、剥離用シート６０上に、導体層１６ａの両面にゲル層１４ａ、１４ｂを設けたゲルシート７０が形成される。

＜陽極とゲルシートとを積層する工程＞
図３に示す積層型のゲルアクチュエータは、図７に示す陽極１２と図８に示すゲルシート７０とを交互に積層することによって形成することができる。ゲルシート７０は剥離用シート６０により支持されているから、陽極１２にゲルシート７０を積層した後、剥離用シート６０を剥離することによって、陽極１２とゲルシート７０とを交互に積層して積層型のゲルアクチュエータを形成することができる。陽極１２とゲルシート７０との積層数は任意に設定できるから、繰り返し積層数を選択することで任意の積層数のゲルアクチュエータを得ることができる。

図５に示すゲルアクチュエータを製造する場合は、図７（ｃ）に示す転写基板４０の凹凸面に導体層５０を形成したものと、図８（ｂ）に示す、剥離用シート６０にゲル層１４ａと導体層１６ａとを積層されたものを交互に積層すればよい。この場合は、転写基板４０が積層構造体として内蔵されるから、ゲルアクチュエータを構成する好適な材料を転写基板４０の材料として選択する。

（ゲルアクチュエータの他の製造方法）
ゲルアクチュエータの製造方法は上述した実施形態に限定されるものではない。図７に示す製造工程では、基板３０に凹凸パターンを形成し、基板３０から転写基板４０に凹凸パターンを転写する方法としたが、必ずしもこの方法によらなければならないわけではない。
また、上述した実施形態においては、ゲル層に対向する陽極の表面を波形形状の凹凸面に形成した例であるが、以下に示すように、ゲル層の表面にメッシュ状等の離散的なパターンに導体パターンを形成する方法を利用してゲルアクチュエータを積層構造とすることも可能である。

図９（ａ）は、剥離用シート６０により支持したゲルシート７０の表面に陽極となる導体層８０ａを形成した状態を示す。導体層８０ａはめっき法、スパッタリング法等により所定の厚さに形成することができる。

図９（ｂ）は、導体層８０ａの表面に形成すべき陽極８０のパターンにしたがって、フォトリソグラフィー法によりレジストパターン８２を形成した状態である。図９（ｃ）は、このレジストパターン８２を保護膜として導体層８０ａをエッチングし、レジストパターン８２を除去することにより、ゲルシート７０の表面に所定パターンに陽極８０を形成した状態である。

図９（ｄ）は、陽極８０を形成した後、新たに剥離用シート６０からゲルシート７０を剥離して積層し、積層したゲルシート７０の表面に陽極８０を形成する工程を繰り返してゲルアクチュエータを積層構造とした状態を示す。積層する工程を適宜選択することにより、ゲルアクチュエータを任意の積層数とすることができる。

本製造方法による場合も、陽極８０とゲルシート７０の厚さを数μｍ〜数十μｍ程度の厚さに形成することは容易であり、これにより、ゲルアクチュエータを多層に積層してかつ全体厚を薄く、コンパクトに形成することができる。

（電極の接続構造）
陽極、陰極、ゲル層からなる多層の積層構造としたゲルアクチュエータの陽極と陰極を、それぞれ電源の正極と負極に接続するには、陽極、陰極、ゲル層を積層した積層体の側面に接続用の電極を設ける方法により、一括して接続することができる。

図１０は、平面形状が矩形の陽極１２、ゲル層１４、陰極１６を積層して平面形状が矩形のゲルアクチュエータを形成する例において、積層体の側面に陽極１２に接続する電極９０ａと陰極１６に接続する電極９０ｂを設けた例である。

電極９０ａと陽極１２とを接続するため、陽極１２、ゲル層１４、陰極１６を積層する際に、陽極１２については積層体の一方の側面位置まで延出させ、陰極１６については積層体の他方の側面位置まで延出するようにして積層する。この場合、陰極１６の一方側の端部は積層体の一方の端部から離間する位置に留め、陽極１２の他方側の端部は積層体の他方の端部から離間する位置に留めるようにする。

この状態で積層体の一方と他方の端部を被覆するように導体層を設けることにより、積層体のすべての陽極１２と陰極１６とを一括して電気的に接続する電極９０ａ、９０ｂとすることができる。電極９０ａ、９０ｂを形成する際には、電極９０ａ、９０ｂと異極とが短絡しないようにする必要がある。陰極１６の一方の端部が積層体の端部に露出しないように、ゲル層１４によって陰極１６の一方端が封止されるようにゲルシート７０を形成してもよい。導体層を形成する方法としては、導体箔や導電性フィルム、導電性ペーストを用いる方法や、めっき法、スパッタリング法等が利用できる。

上記実施形態においては、積層型のゲルアクチュエータの製造方法としていくつかの方法を説明した。これらの製造方法を利用することにより、陽極、ゲル層、陰極からなる単位構造を積層したゲルアクチュエータとして、単位構造厚さ３０μｍ、積層数１０００層、使用電圧５Ｖ、発生力０．４ＭＰａ、変位率２０％、応答性１０Ｈｚの製品を得ることが可能である。
このゲルアクチュエータは、従来のゲルアクチュエータ（単位構造厚さ３ｍｍ）に比べ、印加電圧を１００分の１にすることができ、かつ発生力を１００倍にすることが可能となる。

上記スペックは、生体筋の発生力、変位率、応答性に匹敵して、ロボット用アクチュエータをはじめとした様々な機器でアクチュエータとして使用可能である。従来のモータなどのアクチュエータを本アクチュエータに置き換えることにより、機器を小型軽量化、静音化、フレキシブル化することが可能となる。また、駆動印加電圧が低減されることにより、人体に接触またはその近傍で使用される機器のアクチュエータとして使用しても、安全性が確保しやすくなる。これにより、例えばマッサージ器、アシストスーツなどの医療福祉分野への応用が可能となる。また、単位構造の厚さを薄くすることによりゲルアクチュエータ自身を小型化することが可能となり、これにより例えば携帯端末などのアクチュエータとしての使用も可能となる。さらに、発生力の増大により、従来のゲルアクチュエータでは力不足であった大型のブレーキ・クラッチなどへ応用も可能となる。

１０ ゲルアクチュエータ
１２ 陽極
１２ａ 凸部
１２ｂ 凹部
１３ 陽極
１３ａ 導電層
１３ｂ ベース材
１３ｃ 凹部
１４、１４ａ、１４ｂ ゲル層
１６ 陰極
１６ａ 導体層
１８ 電源
３０ 基板
３０ａ 凹凸パターン
４０ 転写基板
４０ａ 凹凸パターン
５０ 導体層
６０ 剥離用シート
７０ ゲルシート
８０ 陽極
８０ａ 導体層
８２ レジストパターン
９０ａ、９０ｂ 電極

Claims (8)

1. 誘電性高分子材料を含むゲル層と、そのゲル層を厚さ方向に挟む陽極と陰極とからなる単位構造を備えるゲルアクチュエータであって、
   前記陽極は、前記ゲル層に対向する面が凹凸面に形成されていて、前記凹凸面の凸部が前記ゲル層に接触して、前記凹凸面の凹部が空隙になっていることを特徴とするゲルアクチュエータ。
2. 前記単位構造が、電気的短絡を回避する配置で、複数層に積層されていることを特徴とする請求項１に記載のゲルアクチュエータ。
3. 前記陽極の両面に前記ゲル層が設けられ、それぞれのゲル層に前記陰極が積層されて形成されていることを特徴とする請求項２に記載のゲルアクチュエータ。
4. 前記陰極の両面に前記ゲル層が設けられ、それぞれのゲル層に前記陽極が積層されて形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のゲルアクチュエータ。
5. 前記陽極が、その陽極の一方の面における前記凸部と前記凹部とを、他方の面における前記凹部と前記凸部とする波形形状に形成され、前記凸部と前記凹部とが同形に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のゲルアクチュエータ。
6. 前記陽極が、非導電性材からなるベース材の一方の面が凹凸形状に形成されていて、その凹凸形状の表面に導電層が被覆されて形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のゲルアクチュエータ。
7. 誘電性高分子材料を含むゲル層と、そのゲル層を厚さ方向に挟む陽極と陰極とからなる単位構造を備え、前記陽極に形成された凹凸面の凸部が前記ゲル層に接触し前記凹凸面の凹部が空隙になっているゲルアクチュエータの製造方法であって、
   前記陽極の前記ゲル層に対向する面を、前記凹凸面に形成する工程と、
   前記凸部を前記ゲル層に接触させて前記凹部を前記空隙にする工程とを、有することを特徴とするゲルアクチュエータの製造方法。
8. 前記陰極の両面に前記ゲル層を設けたゲルシートを形成する工程と、
   前記ゲルシートに前記陽極を積層する工程とを、有することを特徴とする請求項７に記載のゲルアクチュエータの製造方法。

Images